外源鎂對(duì)厚皮甜瓜結(jié)果期氮代謝的影響

甄駿超，張彥萍,2，劉海河，王亞倫，朱立保

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 科教興農(nóng)中心，河北 保定 071000）

厚皮甜瓜是起源于非洲的葫蘆科甜瓜屬草本植物，其果實(shí)甜美，香氣濃郁，富含人體所需的多種維生素和礦物質(zhì)，深受人們喜愛(ài)。［1］在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，隨著我國(guó)厚皮甜瓜的栽培面積急速擴(kuò)大，人們使用N、P、K 化肥比例越來(lái)越大，有機(jī)肥使用比例不斷下降，土壤中的鎂肥不斷消耗而得不到補(bǔ)充，植物缺鎂的現(xiàn)象陸續(xù)出現(xiàn)，尤其在北方土棚較為明顯，造成植物體內(nèi)葉綠素含量下降，葉片失綠，光合作用受到抑制，碳水化合物和蛋白質(zhì)和合成受阻，嚴(yán)重影響了果實(shí)的產(chǎn)量與品質(zhì)。因此，研究鎂肥對(duì)甜瓜生長(zhǎng)代謝的影響對(duì)提高果實(shí)品質(zhì)與產(chǎn)量有著重要的意義。

鎂是影響植物生長(zhǎng)代謝非常重要的元素，是植物體內(nèi)許多重要成分的組成元素。葉綠素的形成需要鎂的參與［2-3］。植物一旦缺鎂，葉綠體的結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞，基粒和類(lèi)囊體數(shù)目降低［4］。鎂對(duì)光合作用有較大影響，可以促進(jìn)PSII 活性［5］，還可以提高光合作用的效率［6］。鎂也是多種酶激活的必要元素，光合作用、呼吸作用、硝酸還原等過(guò)程的酶反應(yīng)都需要鎂來(lái)激活［7］。同時(shí)，人們對(duì)鎂研究發(fā)現(xiàn)，鎂對(duì)提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)有著極大的作用。申曉芳［8］的研究發(fā)現(xiàn)，施用鎂肥可以有效提高番茄果實(shí)的單果重；于婷［9］的研究表明，在駿棗幼果期和果實(shí)膨大期噴施鎂肥有利于提高果實(shí)品質(zhì)。鎂對(duì)植株氮代謝也有重要作用，有研究認(rèn)為，銨態(tài)氮對(duì)鎂的吸收表現(xiàn)為拮抗作用，使用硝態(tài)氮?jiǎng)t有利于鎂的吸收，表現(xiàn)為協(xié)同作用；徐洋［10］的研究發(fā)現(xiàn)，施鎂可以促進(jìn)大豆對(duì)氮素的吸收同化；鎂還可以提高NR 活性，促進(jìn)氮代謝循環(huán)。有關(guān)鎂對(duì)厚皮甜瓜結(jié)果期氮代謝影響的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本課題組研究了噴施不同濃度的硫酸鎂對(duì)厚皮甜瓜結(jié)果期葉片硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、蛋白質(zhì)含量以及氮代謝相關(guān)酶活性等生理指標(biāo)的影響，為厚皮甜瓜高效栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019 年在河北省保定市清苑區(qū)西甜瓜栽培基地進(jìn)行。供試作物為厚皮甜瓜品種‘農(nóng)大103’，由河北農(nóng)業(yè)大學(xué)甜瓜栽培和育種研究室提供。篩選顆粒飽滿(mǎn)的種子，經(jīng)浸種催芽后穴盤(pán)育苗，三葉一心時(shí)選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻，生長(zhǎng)健壯的幼苗將其按照株行距0.35 m×1 m 定植于塑料大棚中。共設(shè)置5 個(gè)處理水平，分別為0（CK）、20、40、60、80 mg/L的硫酸鎂溶液，每14 d 噴施1 次，共噴施3 次，噴至葉片正反面濕潤(rùn)且不滴落為止，每個(gè)處理選取30株幼苗，3 次重復(fù)，從處理當(dāng)天開(kāi)始，每7 d 進(jìn)行1次取樣，取生長(zhǎng)點(diǎn)倒數(shù)第4 片功能葉，共取5 次，用冰盒低溫保存帶回，待授粉后42 d 在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)采摘5 個(gè)果實(shí)，計(jì)算產(chǎn)量并測(cè)定果實(shí)品質(zhì)等相關(guān)指標(biāo)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1 硝態(tài)氮 硝態(tài)氮的測(cè)定參考李合生［11］主編的《植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)》。

1.2.2 銨態(tài)氮 銨態(tài)氮的測(cè)定參考中國(guó)科學(xué)院上海植物生理研究室［12］主編的《現(xiàn)代植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指南》,使用改良過(guò)的茚三酮測(cè)定法。

1.2.3 硝酸還原酶（NR）活性 取0.5 g 新鮮甜瓜葉片于研缽中，在4 ℃冰箱中預(yù)冷30 min，加入石英石和4 mL 提取緩沖液，研磨后于4 000 r/min離心機(jī)冷凍離心15 min，取上清液0.4 mL，加入0.1 mol/L 磷酸緩沖液1.3 mL，25 ℃水浴保溫30 min，然后加入1 mL 磺胺溶液終止反應(yīng)，加入1 mL 萘基乙烯胺溶液反應(yīng)15 min，然后離心5 min，取上清液在540 nm 下比色。

1.2.4 谷氨酰胺合成酶（GS） 活性和谷氨酸合酶（GOGAT）活性的測(cè)定方法均參照李合生［11］的方法。

1.2.5 果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定 使用便攜式數(shù)字測(cè)糖儀測(cè)定可溶性固形物。2,6-二氯酚靛酚滴定法測(cè)定維生素C。酸堿滴定法測(cè)定有機(jī)酸含量。硫酸-蒽酮法測(cè)定可溶性糖含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)均為3 次重復(fù)的平均值，采用SPSS 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，并用Duncan 法進(jìn)行多重比較，檢驗(yàn)差異顯著性。

2 結(jié)果分析

2.1 外源鎂對(duì)厚皮甜瓜葉片硝態(tài)氮含量的影響

由圖1 可知，隨著厚皮甜瓜的生長(zhǎng)，葉片中硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)先上升后下降的的趨勢(shì)。20、40、60 mg/L 3 個(gè)硫酸鎂濃度處理在各個(gè)時(shí)期均顯著低于CK（P＜0.05）。60 mg/L 處理硝態(tài)氮含量與CK 不同時(shí)期相比分別降低了17.79%、28.33%、32.43%、27.69%、28.82%。40 mg/L 處 理 葉 片 硝態(tài)氮含量較CK 不同時(shí)期降低29.49%、32.17%、36.42%、27.99%、26.71%。20 mg/L 處理葉片硝態(tài)氮含量較不同時(shí)期CK 分別降低17.40%、22.01%、24.70%、23.57%、22.31%。

圖1 外源鎂處理對(duì)厚皮甜瓜葉片硝態(tài)氮含量的影響Fig. 1 Effect of exogenous magnesium on nitrate content in the leaves of muskmelon

以上結(jié)果表明，外源鎂處理加速了葉片中硝態(tài)氮的分解，降低了硝態(tài)氮含量，各種處理中，40 mg/L的處理分解效率優(yōu)于其它處理。

2.2 外源鎂對(duì)厚皮甜瓜葉片銨態(tài)氮含量的影響

由圖2 可以看出，外源噴施鎂溶液可以顯著提高甜瓜葉片中銨態(tài)氮的含量，不同濃度硫酸鎂處理的銨態(tài)氮含量存在著差異，同一時(shí)期的測(cè)定結(jié)果隨著噴施濃度的升高，呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。4種處理銨態(tài)氮含量均顯著高于CK，在處理后14 與35 d，40 與60 mg/L 的處理差異不顯著。60 mg/L 處理銨態(tài)氮含量較CK 不同時(shí)期分別增加了17.41%、79.60%、76.31%、66.41%、72.79%。40 mg/L處理銨態(tài)氮含量與CK 不同時(shí)期相比分別增加了57.39%、80.48%、92.27%、79.67%、83.88%。20 mg/L 處理葉片銨態(tài)氮含量較不同時(shí)期CK 分別增幅29.30%、29.10%、31.83%、24.59%、19.59%。

圖2 外源鎂處理對(duì)厚皮甜瓜葉片銨態(tài)氮含量的影響Fig. 2 Effect of exogenous magnesium on ammonium nitrogen content in the leaves of muskmelon

以上結(jié)果表明，40 mg/L 的硫酸鎂處理可以顯著增加葉片中銨態(tài)氮含量，較其他處理效果最佳。

2.3 外源鎂對(duì)厚皮甜瓜葉片中可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

由圖3 可知，厚皮甜瓜葉片可溶性蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，處理后21 d 達(dá)到最大值，不同濃度的處理促進(jìn)效果不同。與對(duì)照相比，20、40、60 mg/L 3 種濃度的硫酸鎂處理均可增加葉片可溶性蛋白質(zhì)含量，其中40 與60mg/L 2 種處理之間沒(méi)有顯著差異（P＞0.05），在處理后14 d，80 mg/L濃度的硫酸鎂處理可溶性蛋白含量低于對(duì)照。與不同時(shí)期對(duì)照相比，20 mg/L 的處理分別增加了20.76%、20.58%、7.19%、8.18%、17.18%；40 mg/L的處理分別增加了49.37%、35.79%、23.01%、22.58%、27.68%；60 mg/L 的處理分別增加了39.91%、46.93%、14.38%、18.71%、27.92%。

圖3 外源鎂處理對(duì)厚皮甜瓜葉片中可溶性蛋白質(zhì)含量的影響Fig. 3 Effects of exogenous magnesium on soluble protein content in the leaves of muskmelon

以上結(jié)果表明，20、40、60 mg/L 3 個(gè)濃度的硫酸鎂處理可以促進(jìn)葉片中可溶性蛋白質(zhì)含量的積累，處理濃度范圍在40 ～60 mg/L 之間時(shí)，對(duì)可溶性蛋白含量的促進(jìn)效果最好。

2.4 外源鎂對(duì)厚皮甜瓜葉片中硝酸還原酶（NR）活性的影響

由圖4 可知，外源噴施不同濃度的硫酸鎂對(duì)厚皮甜瓜葉片NR 活性有不同程度的影響，整體呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。在處理后7 d，4 種處理顯著高于CK（P＜0.05），隨著處理濃度的增加，NR 活性也隨之增加。在處理后14 ～35 d，20、40、60 mg/L 3 種處理均顯著高于CK，80 mg/L的處理顯著低于CK。60 mg/L 處理NR 活性較不同時(shí)期CK 分別增幅41.92%、41.31%、40.36%、30.96%、65.55%。

圖4 外源鎂處理對(duì)厚皮甜瓜葉片中NR 活性的影響Fig. 4 Effect of exogenous magnesium on the activity of NR in the leaves of muskmelon

40 mg/L 處理葉片NR 活性較CK 分別增幅26.04%、49.04%、42.50%、35.03%、61.48%。20 mg/L 處理NR 活性較不同時(shí)期CK 分別增幅13.46%、23.49%、21.39%、27.79%、33.45%。

以上結(jié)果表明，外源噴施硫酸鎂可以促進(jìn)葉片中NR 活性，加速了氮代謝的進(jìn)程，其中40 和60 mg/L外源鎂處理后期活性較高，促進(jìn)效果較好。

2.5 外源鎂對(duì)厚皮甜瓜葉片中谷氨酰胺合成酶（GS）活性的影響

由圖5 可以看出，外源噴施不同濃度的硫酸鎂對(duì)厚皮甜瓜葉片中GS 活性有不同程度的影響，整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。在處理后7 ～21 d，4 種處理GS 活性顯著高于CK，28 和35 d，20、40、60 mg/L 3 種濃度處理顯著高于CK（P＜0.05）。60 mg/L 處理GS 活性較不同時(shí)期CK 分別增幅79.70%、119.2%、71.30%、19.20%、33.24%。40 mg/L 濃度處理的葉片GS 活性較不同時(shí)期CK分別增加66.73%、144.56%、101.84%、19.63%、35.58%。20 mg/L 處 理GS 活 性 較CK 分 別 增 加37.22%、99.73%、68.58%、9.96%、17.03%。

圖5 外源鎂處理對(duì)厚皮甜瓜葉片中GS 活性的影響Fig. 5 Effects of exogenous magnesium on GS activity in the leaves of muskmelon

以上結(jié)果表明，外源噴施適宜濃度的硫酸鎂可以明顯增加GS 活性，其中40 mg/L 處理效果高于其它處理。

2.6 外源鎂對(duì)厚皮甜瓜葉片中谷氨酸合酶（GOGAT）活性的影響

由圖6 可知，在厚皮甜瓜果實(shí)生長(zhǎng)期，隨著甜瓜的生長(zhǎng)，葉片中GOGAT 活性呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì)，不同濃度的硫酸鎂處理效果不同。在處理后7 ～14 d，4 種處理GOGAT 活性顯著高于CK（P＜0.05），在21、28 和35 d，80 mg/L 處理葉片中GOGAT 活性有下降的趨勢(shì)，21 和28 d 時(shí)低于CK，35 d 時(shí)與CK 無(wú)顯著差異。60 mg/L 處理GOGAT 活性與不同時(shí)期CK 相比分別增幅43.68%、71.56%、79.31%、80.15%、125.51%。40 mg/L 葉片GOGAT活性較不同時(shí)期CK 分別增幅68.99%、96.31%、104.57%、98.49%、119.74%。20 mg/L 處理葉片中GOGAT 活性較不同時(shí)期CK 分別增加了18.52%、31.22%、41.66%、38.22%、58.01%。

圖6 外源鎂處理對(duì)厚皮甜瓜葉片中GOGAT 活性的影響Fig. 6 Effects of exogenous magnesium on GOGAT activity in the leaves of Muskmelon

以上結(jié)果表明，20、40 和60 mg/L 3 種濃度硫酸鎂可以明顯增加葉片中GOGAT 活性，促進(jìn)厚皮甜瓜氮代謝進(jìn)程，其中40 mg/L 處理效果最佳。

2.7 外源鎂對(duì)厚皮甜瓜果實(shí)品質(zhì)的影響

由表1 可知，除80 mg/L 濃度的硫酸鎂處理外，其它3 種濃度的處理均顯著增加了果實(shí)中可溶性固形物含量，其中20 與40 mg/L 的 處理效果最大，兩者之間差異不顯著，與對(duì)照相比分別增加了6.88%、10.26%。20、40 和60 mg/L 3 種處理的可溶性糖含量顯著高于對(duì)照，其中40 mg/L 的處理顯著高于其它處理，與對(duì)照相比增加了24.09%。4 種處理濃度的Vc 含量顯著高于CK，其中60 mg/L 的處理含量最高且顯著高于其它處理，與對(duì)照相比增加了25.93%。除80 mg/L 的處理外，其它3 種處理均顯著降低了果實(shí)中可滴定酸含量，40 與60 mg/L 2 種處理之間差異不顯著。以上數(shù)據(jù)表明，20、40和60 mg/L 3 種處理對(duì)果實(shí)品質(zhì)都有一定的改善效果，其中效果最好的處理濃度是40 mg/L。

表1 外源鎂對(duì)厚皮甜瓜果實(shí)品質(zhì)的影響Table 1 Effect of exogenous magnesium on fruit quality of muskmelon

3 討論

3.1 外源鎂對(duì)厚皮甜瓜葉片中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和蛋白質(zhì)含量的影響

氮素是植物體內(nèi)必不可少的元素之一，在植物的各種生理代謝中，氮素都有著不可取代的作用，當(dāng)植株氮供應(yīng)不足時(shí)，蛋白質(zhì)的合成受到抑制，嚴(yán)重影響細(xì)胞分裂的速度，造成產(chǎn)量降低［13-14］。有研究表明，缺氮會(huì)嚴(yán)重影響黃瓜的形態(tài)發(fā)育，使植株矮小、細(xì)弱、葉片小而易脫落，嚴(yán)重影響花芽分化［15］。同樣，過(guò)多的氮素也會(huì)影響植物本身的正常發(fā)育，當(dāng)植物吸收氮素過(guò)多時(shí)，會(huì)影響體內(nèi)的碳水化合物的形成，導(dǎo)致植物易倒伏。有研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)量施氮會(huì)影響果實(shí)中的可溶性糖和維生素C 的積累，嚴(yán)重影響果實(shí)的品質(zhì)［16］。在本試驗(yàn)中，外源施鎂對(duì)的分解和的積累都有著顯著的促進(jìn)作用，對(duì)葉片蛋白質(zhì)含量也有顯著影響，當(dāng)施鎂量為40 mg/L 時(shí)，銨態(tài)氮積累量最大，硝態(tài)氮的積累量最低，蛋白質(zhì)含量也顯著升高，這是因?yàn)橥庠存V離子通過(guò)影響氮代謝相關(guān)酶活性大小，加速了硝態(tài)氮分解，促進(jìn)了氮素的轉(zhuǎn)化速率，使硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮的速率加快，促進(jìn)了葉片蛋白質(zhì)的合成與積累。

3.2 外源鎂對(duì)厚皮甜瓜葉片中氮代謝相關(guān)酶活性的影響

氮代謝是作物生長(zhǎng)發(fā)育極為重要的生理過(guò)程，對(duì)作物的產(chǎn)量品質(zhì)有著決定性的作用［17］。硝酸還原酶是植物氮代謝的限速酶，它決定了NO3-向NO2-轉(zhuǎn)化的速率，NO2-是生成銨態(tài)氮的主要原料，所以NR活性直接影響了氮代謝的速率［18］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，外源施鎂顯著增加了植株各個(gè)時(shí)期NR 活性，對(duì)植株氮代謝速率有著明顯的促進(jìn)作用。當(dāng)處理濃度為40 mg/L 時(shí)，NR 活性始終保持較高的促進(jìn)效果；當(dāng)處理濃度為80 mg/L 時(shí)，前期對(duì)NR 活性有顯著的促進(jìn)效果，但當(dāng)處理進(jìn)行到14 d 時(shí)，NR 活性受到顯著的抑制，表明長(zhǎng)時(shí)間高濃度處理抑制了NR 活性。

谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶是同化NH4+的重要酶，NH4+被GS 催化轉(zhuǎn)化成谷氨酰胺，再經(jīng)GOGAT 轉(zhuǎn)化為谷氨酸，形成的谷氨酸直接參與到氮代謝當(dāng)中，所以GS 和GOGAT 的活性也是影響氮代謝速率的關(guān)鍵酶［19］。通過(guò)本試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，外源鎂的處理對(duì)GS 和GOGAT 活性都有著顯著的促進(jìn)作用，這是因?yàn)殒V可以穩(wěn)定合成蛋白質(zhì)所必須的核糖體構(gòu)型［20］，而蛋白質(zhì)是構(gòu)成GS 與GOGAT 的基本物質(zhì)，所以鎂可以直接影響GS 與GOGAT 的活性。當(dāng)處理濃度為40 mg/L 時(shí)，2 種酶都保持較高的促進(jìn)效果，而當(dāng)處理濃度達(dá)到80 mg/L 時(shí)，酶活性呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)且逐漸低于對(duì)照，這可能是因?yàn)楦邼舛鹊逆V破壞了核糖體構(gòu)型，限制了蛋白質(zhì)的合成，使酶活性受到抑制。

3.3 外源鎂對(duì)厚皮甜瓜果實(shí)品質(zhì)的影響

增施鎂在園藝生產(chǎn)中有著重要意義，增施鎂肥能夠促進(jìn)糖和Vc 的合成，提高園藝產(chǎn)品的內(nèi)在品質(zhì)。有研究表明，葉片施鎂可以提高碭山酥梨的可溶性糖與Vc 含量，顯著提高果實(shí)品質(zhì)［21］。在不同時(shí)期噴施硫酸鎂可以有效改善駿棗的果實(shí)品質(zhì)，提升各品質(zhì)指標(biāo)的含量［22］。本研究中，葉片外源施鎂顯著的增加了果實(shí)中可溶性糖、Vc、可溶性固形物含量，有效的降低了果實(shí)中可滴定酸含量。外源鎂可以改善果實(shí)品質(zhì)，這可能是適宜濃度的Mg2+可以提高葉片的光合作用，延緩植物的衰老，促進(jìn)碳水化物的形成，平衡碳氮代謝，促進(jìn)果實(shí)蛋白質(zhì)合成，從而達(dá)到提高Vc、可溶性糖、可溶性固形物和可溶性蛋白含量，降低可滴定酸含量，改善果實(shí)內(nèi)在品質(zhì)的作用。而超過(guò)一定濃度的Mg2+會(huì)對(duì)植物造成脅迫，破壞植物代謝平衡，從而使果實(shí)品質(zhì)降低。對(duì)外源鎂是否影響厚皮甜瓜產(chǎn)量還需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

厚皮甜瓜果實(shí)生長(zhǎng)期葉片噴施適宜濃度的硫酸鎂溶液，可以有效的加速硝態(tài)氮分解與銨態(tài)氮的積累，顯著提高硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶的活性，對(duì)改善植株氮代謝有明顯效果，其中處理濃度為40 mg/L 的效果最佳。

外源施鎂對(duì)厚皮甜瓜果實(shí)內(nèi)在品質(zhì)也有顯著的改善效果，其中處理濃度在40 ～60 mg/L 之間時(shí)，表現(xiàn)出較為適宜的效果。本試驗(yàn)是在塑料大棚中進(jìn)行的，在其他條件中的處理效果還需進(jìn)一步研究。